何 艷，馮佳胤，徐建明

（1.浙江大學(xué)土水資源與環(huán)境研究所，杭州 310058；2.浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058）

農(nóng)田系統(tǒng)是保障國家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的重要基石，提高農(nóng)田系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)力、滿足人類生產(chǎn)生活需要是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求。近年來，隨著農(nóng)業(yè)化學(xué)品的大量投入，農(nóng)藥、酞酸酯、激素、抗生素及抗性基因、病原微生物等外源有機(jī)和生物污染物在農(nóng)田系統(tǒng)中不斷累積，造成了一系列的資源環(huán)境問題。由于我國農(nóng)田系統(tǒng)中這兩大類污染物種類繁多，污染特征不明，污染過程與機(jī)制不祥，相關(guān)行業(yè)、地方和國家標(biāo)準(zhǔn)缺失，開展研究難度很大，導(dǎo)致現(xiàn)階段對(duì)我國不同農(nóng)田系統(tǒng)實(shí)際遭受有機(jī)和生物污染的狀況一直不明晰，迫切需要開展全國區(qū)域尺度系統(tǒng)性的調(diào)研，獲得針對(duì)中國農(nóng)田的第一手資料，以保障國家農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)安全與品質(zhì)，維護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡健康。

在農(nóng)田污染與防治領(lǐng)域，十三五的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)針對(duì)有機(jī)和生物污染做了前沿探索性的任務(wù)部署。目前，已啟動(dòng)的“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)中，兩個(gè)項(xiàng)目涉及有機(jī)和生物污染。其一為“農(nóng)田有毒有害化學(xué)/生物污染與防控機(jī)制研究”，于2016年第一批啟動(dòng)，性質(zhì)為第一層次的基礎(chǔ)研究；其二為“農(nóng)田有毒有害化學(xué)/生物污染防控技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)”，于2017年第二批啟動(dòng)，性質(zhì)為第二層次關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)研究。本文將基于第一批項(xiàng)目啟動(dòng)以來的研究工作成效，談一些后續(xù)研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的研究工作思考，以為我國十四五期間的重點(diǎn)科技規(guī)劃提供科學(xué)支撐。

1 項(xiàng)目實(shí)施成效

自項(xiàng)目啟動(dòng)以來，我們以阻控污染和重建健康土壤為核心，以解析高強(qiáng)度利用和人為干預(yù)下農(nóng)田有機(jī)和生物污染的形成過程和影響因素為突破口，突出了從農(nóng)田污染的源頭甄別、過程解析、定向阻控與強(qiáng)化修復(fù)的全鏈條追蹤的思路，以我國東北、黃淮海、長江中下游、南方四大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)稻、麥、玉米、大豆、蔬菜五種種植制度下黑土、潮土、水稻土、紅壤等典型農(nóng)田系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，從源頭削減效應(yīng)、過程控制與效應(yīng)、區(qū)域調(diào)控與措施三個(gè)層次逐級(jí)推進(jìn)，圍繞農(nóng)田有毒有害化學(xué)/生物污染特征與源解析，農(nóng)田污染演變規(guī)律及其主控因素，污染物的農(nóng)田系統(tǒng)影響途徑、效應(yīng)與機(jī)制，農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)有毒有害化學(xué)/生物污染農(nóng)田自凈功能重建原理、關(guān)鍵途徑和技術(shù)對(duì)策四大任務(wù)有序推進(jìn)了研究工作。目前，階段性研究已初顯成效，特別在針對(duì)殘留標(biāo)記化合物自主合成、新型污染物檢測標(biāo)準(zhǔn)方法的開發(fā)與建立等方面取得了突破性進(jìn)展。

1.1 自主建立了有機(jī)污染物的同位素標(biāo)記合成方法，開發(fā)了典型生物污染物的分析檢測技術(shù)

高比活度放射性同位素標(biāo)記化合物匱乏是我國農(nóng)田有機(jī)污染防控機(jī)制研究中的關(guān)鍵技術(shù)制約。項(xiàng)目實(shí)施攻克了高比活度同位素標(biāo)記農(nóng)藥合成中的技術(shù)瓶頸，于國際上首次建立了安全高效的放射性標(biāo)記毒死蜱非氯氣取代微量合成方法，在國內(nèi)首次自主合成了高比活度14C-毒死蜱；同時(shí)，優(yōu)化了14C-磺胺嘧啶微量合成方法，使高比活度14C-磺胺嘧啶的總產(chǎn)率比現(xiàn)有合成方法提高了13%[1]。這為從質(zhì)量平衡角度溯源追蹤有機(jī)污染物在環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化、殘留代謝，尤其是結(jié)合殘留定量表征和削減等相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)，為解決我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期受制于殘效農(nóng)藥影響的重大產(chǎn)業(yè)問題提供了必要物質(zhì)保障。

制定了有機(jī)肥料中土霉素、四環(huán)素、金霉素、強(qiáng)力霉素四種抗生素的含量測定國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 32951—2016），該標(biāo)準(zhǔn)已于2017年3月1日正式實(shí)施；開發(fā)了土壤中酞酸酯的測定方法，已申請(qǐng)國家標(biāo)準(zhǔn)，目前處在提交國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)報(bào)批階段[2]。

構(gòu)建的基于高通量基因芯片技術(shù)的抗性基因同步檢測與糞便污染溯源方法，可同步檢測200種以上抗性基因，并可區(qū)分抗性基因的人、豬、牛、雞、鴨等9種糞便污染源，達(dá)到國際先進(jìn)水平，相關(guān)成果發(fā)表于Nature系列新子刊（Nature Microbiology）上，并獲得國家授權(quán)發(fā)明專利[3-4]。

完善了土壤病原菌的檢測方法，構(gòu)建了基于毒力基因檢測大腸桿菌、沙門氏菌的特異性專用引物探針和反應(yīng)條件，建立了同步測定土壤中人畜共患病原菌的qPCR方法體系[5]；發(fā)展了利用PMA-qPCR檢測大腸桿菌O157：H7等活菌數(shù)的方法，此方法與qP?CR、平板計(jì)數(shù)法聯(lián)合使用可測定胞外DNA（死菌）數(shù)量、活的非可培養(yǎng)（VBNC）態(tài)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中不可培養(yǎng)狀態(tài)的病原菌活菌的表征。

1.2 開展了代表性農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)典型有機(jī)與生物污染物的農(nóng)田污染特征調(diào)研

針對(duì)我國典型農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的污染特征、主要土壤及農(nóng)作物類型等，在東北黑土區(qū)、黃淮海潮土區(qū)、南方長江中下游和珠三角地區(qū)的水稻、設(shè)施蔬菜、小麥、玉米等農(nóng)作物區(qū)域共36個(gè)縣區(qū)、百余個(gè)位點(diǎn)完成了采樣點(diǎn)布設(shè)、樣品采集和污染物提取測定工作。已有的調(diào)研結(jié)果顯示：旱地和稻田土壤中有機(jī)氯農(nóng)藥DDTs、六六六、含氯的有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱以及吡蟲啉等農(nóng)藥同時(shí)存在較高的檢出率，其中，有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留稻田普遍低于旱地；阿特拉津等除草劑類農(nóng)藥在東北地區(qū)有殘留檢出，可能與近年來東北地區(qū)在玉米轉(zhuǎn)大豆的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中突顯的生產(chǎn)問題有關(guān)；酞酸酯在設(shè)施農(nóng)田土壤中普遍檢出，蔬菜中100%檢出，濃度達(dá)到mg·kg-1級(jí)；抗生素中四環(huán)素類普遍檢出。

1.3 針對(duì)典型農(nóng)田有機(jī)/生物污染機(jī)制的研究初見成效

圍繞不同農(nóng)田-污染物研究體系，已展開典型有機(jī)/生物污染物的土壤多界面遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制與驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的研究工作，揭示了旱地、稻田生態(tài)系統(tǒng)毒死蜱、γ-六六六（γ-HCH）的界面遷移與代謝過程；明確了類固醇雌激素在典型農(nóng)田土壤的吸附遷移特征[6-7]；闡明了典型土壤和蔬菜中酞酸酯吸附作用及生物富集動(dòng)力學(xué)過程與代謝轉(zhuǎn)化機(jī)制[8-10]；研究了抗生素抗性菌在土壤中的存留及其攜帶的抗性基因水平轉(zhuǎn)移的頻率及抗生素和抗性基因在土-植界面的遷移規(guī)律；在基因水平上揭示了病原菌通過與土壤礦物的相互作用形成生物膜從而提高其在土壤中存活能力的分子機(jī)制[11-12]。

1.4 結(jié)合多種環(huán)境友好修復(fù)材料開展了農(nóng)田有機(jī)/生物污染調(diào)控研究

在農(nóng)田有機(jī)/生物污染區(qū)域調(diào)控與措施方面，結(jié)合納米材料、生物炭、微生物代謝調(diào)控物等多種環(huán)境友好修復(fù)材料開展了污染削減調(diào)控研究并取得了卓越成效。揭示了納米零價(jià)鐵活化過二硫酸鹽體系、微波活化過一硫酸氫鹽體系、亞硫酸鈉活化過二硫酸鹽體系加速降解典型有機(jī)污染物的作用效果與原理[13-16]；提出了熱解溫度誘導(dǎo)生物炭產(chǎn)生環(huán)境自由基加速降解化學(xué)污染物的催化機(jī)理，闡明了改性生物炭截留磷減少養(yǎng)分流失、同時(shí)阻控抗生素從土壤向生菜系統(tǒng)遷移的控污增產(chǎn)雙效調(diào)控方法原理[17-18]；明確了不同電子受體和電子穿梭體調(diào)控影響有機(jī)氯農(nóng)藥還原轉(zhuǎn)化的作用與機(jī)制，初步形成了基于電子受體和電子穿梭體途徑耦合生源要素還原的污染削減調(diào)控方法原理[19-22]。

2 存在的主要問題及后續(xù)工作建議

如前所述，已啟動(dòng)的十三五第一批國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“農(nóng)業(yè)面源和重金屬污染農(nóng)田綜合防治與修復(fù)技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目中已部署了兩個(gè)有機(jī)和生物污染相關(guān)的項(xiàng)目，但因項(xiàng)目指南中包含的污染物種類過多，包括農(nóng)藥、酞酸酯、抗生素、激素四大類有機(jī)污染物，以及抗生素抗性基因和病原菌兩大類生物污染物，研究體系龐大，工作難以聚焦。

雖然我國典型農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)中污染時(shí)空變異性大，但從項(xiàng)目實(shí)施到截止目前所掌握的信息看，抗生素、激素、抗生素抗性基因和病原菌這幾類污染物的農(nóng)田輸入主要來源于畜禽糞肥的施用，部分環(huán)境友好的農(nóng)藥半衰期短，輸入農(nóng)田后風(fēng)險(xiǎn)小，這些污染物重在源頭防控；典型有機(jī)污染物被釋放輸入到農(nóng)田后引發(fā)的最突出問題主要包括三個(gè)方面：其一，含氯有機(jī)農(nóng)藥污染（包括已禁用的傳統(tǒng)有機(jī)氯農(nóng)藥和部分尚未禁用的含氯有機(jī)磷農(nóng)藥如毒死蜱等），主要涉及稻、麥等重點(diǎn)種植制度典型旱地/稻田系統(tǒng)中的地下生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題；其二，我國東北農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)阿特拉津等除草劑污染，主要涉及玉米轉(zhuǎn)大豆的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)問題；其三，酞酸酯污染，主要涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)的農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)問題。

因此，建議對(duì)后續(xù)農(nóng)田有機(jī)和生物污染與防控領(lǐng)域的任務(wù)部署進(jìn)行聚焦，突出重點(diǎn)，圍繞輸入農(nóng)田系統(tǒng)后存在較大環(huán)境和人體健康風(fēng)險(xiǎn)問題，以及限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)問題的典型污染物進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)和任務(wù)部署，在十四五期間進(jìn)行滾動(dòng)立項(xiàng)支持。

后續(xù)工作建議側(cè)重涉及“卡脖子”核心技術(shù)自主研發(fā)的研究，重點(diǎn)圍繞典型有機(jī)污染農(nóng)田生態(tài)功能重建和優(yōu)化的綜合調(diào)控原理與技術(shù)研發(fā)來整體推進(jìn)。支撐上述核心技術(shù)研發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)任務(wù)包括以下方面：（1）耦合生源要素循環(huán)的有機(jī)氯污染強(qiáng)化削減原理與技術(shù)；（2）基于同位素示蹤的污染溯源與削減原理與技術(shù)；（3）酞酸酯的多界面控源-阻隔-削減高效防控原理與技術(shù)等。